水力压裂原理周六PPT课件

作用: Ø传递压力； Ø起裂和延伸裂缝； Ø携砂。
前置液
起缝、延伸裂缝、冷却
按
作
携砂液
延伸裂缝、悬砂
用
分
顶替液
顶替砂浆
对压裂液的要求: Ø与地层配伍； Ø有效悬浮和输送支撑剂； Ø滤失少； Ø摩阻低； Ø低残渣； Ø易返排； Ø热稳定性； Ø抗剪切稳定性。
一、压裂液类型
各种压裂液所占的比例
增能气 体, 25%
第一章 水力压裂
内容提要
Ø水力压裂造缝机理 Ø压裂液 Ø支撑剂 Ø水力压裂延伸模拟 Ø支撑剂输送 Ø水力压裂评价与设计 Ø压裂工艺技术
压裂:
hydraulic
分类: fracturing
水力压裂:利用地面高压泵组，以超过地层吸收能力 的排量将高粘压裂泵入井内而在井底产生高压，当 压力克服井壁附近地应力并达到岩石抗张强度时， 就在地层产生裂缝。继续泵注带有支撑剂的压裂液， 使裂缝继续延伸并在其中充填支撑剂。停泵后，由 于支撑剂对裂缝的支撑作用，在地层中形成足够长 的、有一定导流能力的填砂裂缝，从而实现油气井 增产和水井增注。
' w
0.5m A
修正：
cw
cw'
p f pa
1 2
用途:静态滤失系数 用于筛选评价压裂液
用途:动态滤 失系数为压裂 设计提供参数
2.受压裂液粘度控制的滤失系数
假设条件: Ø侵入符合达西定律； Ø活塞驱动
压裂液的实际滤失速度：
va
dL0.058Kp
dt
f L
积分求L，回代达西定律
12
v0.05K 8 f Lp0.17K ftp
牛顿型：
圆管稠度系数：
Kp

压裂车是压裂的主要设备，它的作用是向井内注入高压、大排量的压 裂液，将地层压开,把支撑剂挤入裂缝。压裂车主要由运载、动力、传 动、泵体等四大件组成。 压裂泵是压裂车的工作主机。现场施工对压 裂车的技术性能要求很高,压裂车必须具有压力高、排量大、耐腐蚀、 抗磨损性强等特点。
.
第一节 压裂设备
2.混砂车
第一讲 压裂
.
前言
1、低渗透油气藏的主要开发特征
（1）初期产能高，但递减快；或者自然产能低，生产压差大，压裂 后增产幅度大。 （2）自然能量补给差，多数靠弹性和溶解气驱采油，油层产能递减 快，压力下降快，一次采收率低，一般仅为8%～14%，注水保持能量 后，二次采收率可控制到25%～30%。 （3）由于裂缝的高渗透性作用，注水井吸水能力较强，油井水淹水 窜严重。如果不弄清地下裂缝系统的分布和延伸方向，就无法控制注 入水的推进方向，大量的注入水和驱替的油就可能沿裂缝流失，生产 井很快被水淹，无水采油期短。搞清裂缝系统分布，是有效开发这类 油田的前提；注采井网与裂缝系统的合理配置，是有效开发这类油田 的基础。 （4）注水初期吸水较好，但注水压力上升快，水驱效果越来越差。
2.试压
关死井口总闸,对地面高压管线 、 井口 、 连接丝扣 、 油壬等憋压 3040Mpa,保持 2-3min 不刺不漏为合格。
5.管汇车
管汇车的作用是运输管汇，如；高压三通、四通、单流阀、控制阀等。
.
提纲
第一节 压裂设备 第二节 压裂工具 第三节 压裂施工基本程序 第四节 压裂液原理 第五节 压裂的基础知识
.
第二节 压裂工具
1.封隔器
封隔器在压裂中的用途是分层压裂和保护套管。我国各油田使用的压裂封 隔器主要有两种类型,即水力压差式和水力机械式封隔器。水力压差式封隔 器的工作原理是当封隔器下入井内预定位置以后,地面泵开始向井内注入液 体,使压力增高。当液 时，由于液体的压力作用，促使胶筒 向外扩张，直到与套管内壁接触,使 油套管环形空间上下隔绝。随着压力的增高,胶筒的密封性也越来越可靠。 当油管内卸压以后,胶筒又依靠自己的弹性收缩力,将胶筒与中心管之间的

造缝(Fracture Initiation)机理 应力状况、裂缝形成条件 压裂液(Frac fluid) 类型、滤失性、流变性 支撑剂(Proppant) 性能要求、类型、在裂缝的分 布特性、选择 压裂设计 裂缝参数计算、压裂效果评价

高导流能力的填砂裂缝
降低流体渗流阻力 高渗透性的填砂裂缝的流动阻力很小 降低流体渗流阻力，高渗透性的填砂裂缝的流动阻力很小
第一节 造缝机理
地层应力关系

第一节 造缝机理
原始地层应力：垂向应力σz、最大水平主应力σx (σhmax ) 最小水平主应力σy (σhmin ) 原始地层应力经过简单计算便可得到，作为其它应力计算的基础 数据 对于确定的深度h，钻井后柱坐标下各应力与原始地层主应力的关 系为 为


地层钻孔后，造成地 层应力集中，改变了 地层应力分布状况， 地层应力不能再简单 地用三个主应力表示
第一节 造缝机理
第一节 造缝机理
裂缝是如何被压开的?！
一般情况：
当井筒内压力较低时，井壁周围的切向应力表
现为压应力
井筒流体压力会影响井眼附近岩石的切向应力 随着井筒流体增加（同时井眼附近地层的孔隙
(1)σx≠ σy导致σθ与θ有关 (2) r rw： min 0,180 3 y x


Zt z Pwf Pr 1


1 2 1

4
2013/12/9
水平裂缝形成条件
水平裂缝形成条件
Pwf Pr
第一节 造缝机理
井筒压力是唯一人为可控的因素，知道了破裂
(3) 随着 r 增加，切向应力 σθ 减小，井壁应力集中 地层破裂压力大于裂缝延伸压力的原因之一

筛管
0.38
套管＋裸眼
0.40
套管
0.30
合计117口：水平井93口，直井24口；ppt油课件井80口，气井37口，累计5.75亿元 12
汇报提纲
• 企业介绍与系统能力 • 一、水力喷射分段压裂技术 • 二、双封单卡分段压裂技术 • 三、滑套式封隔器分段压裂技术 • 四、国外水平井分段压裂技术 • 五、华鼎施工能力保障
126.4m3
分析山2、盒7段2层产水，关闭产水
层后，气量从1.7×104m3/d上升到
5.70×104m3/d
ppt课件
35
四、国外水平井分段压裂技术
连续油管喷砂射孔环空加砂压裂技术
作业程序 水力喷砂射孔 环空加砂压裂
层间封堵方式 砂塞封堵 底封隔器封堵
技术特色 不受压裂层数限制 可实现对多层系的动用
——HWB液压开关工具
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三、滑套式封隔器分段压裂技术
1.裸眼井固井滑套选择性分段压裂技术 ——施工步骤
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三、滑套式封隔器分段压裂技术
1.裸眼井固井滑套选择性分段压裂技术 ——施工步骤
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三、滑套式封隔器分段压裂技术
2. 封隔器滑套选择性分段压裂技术
一次多层压裂措施（酸化或砾石充填），最多压裂15层 （14个球座，1个趾端滑套），无需中心管。
喷射起裂及 水力封隔
压裂液 喷射压裂
工具 喷砂射孔 参数效率
1
一、水力喷射分段压裂技术
1.水力喷射分段压裂机理
• 射孔过程：Pv+Ph<FIP，不压裂
环空加压：Pv+Ph+Pa≥FIP，起裂 • 射流在孔底产生推进压力约2～3MPa，

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第一部分 压裂压力分析
一、闭合压力确定方法 二、泵注期间的压力分析 三、压裂压力递减分析 四、微裂缝储层滤失问题
第13页/共185页
一、闭合压力（Pc）确定方法
定义： 使已存在的裂缝张开的最小缝内压力（已有
裂缝闭合时的流体压力）
理想的情况下（地层均质），pc= σmin（最小 就地主应力）
SV : 上覆应力，Pa Shi : 初始水平应力，Pa
: 毕奥特常数
pi : 地层内孔隙压力, Pa
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二、泵注期间的压力分析
压
破裂
加砂
力
F 前置液
携砂液
停泵 裂缝闭合
a b
排量不变，提高砂比，压力升高 E 反映了正常的裂缝延伸
a—致密岩石 b—微缝高渗岩石
管内摩阻
裂缝延伸压力（静）
1、施工压力与时间的关系
三个方程： ➢ 裂缝宽度方程 ➢ 裂缝内压力方程 ➢ 连续性方程 三维模型多一个方程： 缝高方程
第32页/共185页
裂缝宽度方程
第33页/共185页
压力方程
缝内压力梯度取决于压裂液的流变性、液体流速、缝宽 沿缝长的压力梯度：
n
dp dx
K w 12 n
q i
h f
牛顿液(n 1, K ,压裂液粘度) :
第29页/共185页
Cater模型假设
(1)在缝长和缝高方向，缝宽度相等且不随时间变化 (2)压裂液从裂缝壁面线性地渗入地层 (3)裂缝内某点的滤失速度取决于该点接触液体的时间：
v(x,t)
C (x,t) t
t (x)
(4)裂缝内各点压力相同，且等于井底延伸压力
第30页/共185页

（三） 压裂工具与管柱
压裂管柱组配和使用技术要求：
①压裂管柱采用N-80以上钢级的外加厚油 管和短节组配。
②封隔器卡点应选择在套管光滑部位，避 开套管接箍。
③压裂管柱喷砂器与封隔器直接连接，最 下一级封隔器以下的尾管长度不小于8m。管柱 底端距井内砂面或人工井底距离不小于10m。
（三） 压裂工具与管柱
④按照施工设计精确配出封隔器卡距、油 管下入深度，卡点深度与设计深度误差不超过 ±0.2m。
⑤由K344-114封隔器组成的浅井分压多层 管柱最多允许使用4级封隔器，允许上提一次。 该管柱承压能力为40 Mpa。
⑥压裂管柱是专用管柱，严禁用于替喷、 冲砂、压井、打捞等作业施工。
（三） 压裂工具与管柱 滑套式分层压裂管柱
（三）压裂的应用
大约40%完钻井数实施了压裂
125
80
100
1981年
1991年
2001年
全球压裂井次（万口）
美 石油储量的30%是通过压裂改造才达到经济开采条件的。
国 北 通过压裂增加130亿吨石油储量。
美 我 已探明低渗透地质储量约40亿吨,这些储量只有通过 国 压裂改造才能具备工业开采价值。
4 ± Ê »æ ͼ Æ÷
H D E ÏÖ ³¡ ²Î Êý У Õý ÒÇ ¡¢ S M ¡ª A ѹ ²î ʽ É°ÃÜ ¶È ¼Æ
1 ¡¢ ´ó ± à ˮ ¹¦ ÂÊ 1 3 0 0 Âí Á¦ £» 2 ¡¢ Öù Èû Ö±¾¶ 1 1 4 . 3 m m £» 3 ¡¢ ³å ³Ì 2 0 3 . 2 m m ¡£
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ÒÇ ±í ³µ
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由于泊松效应，垂向负荷产生的侧向压力
x y 0 x y 1z
(2) 构造应力
定义与来源 特点
—构造应力属于水平的平面应力状态 —挤压构造力引起挤压构造应力 —张性构造力引起拉张构造应力 —构造运动的边界影响使其在传播过程中逐渐衰减。 在断层和裂缝发育区是应力释放区。 — 正断层，水平应力x可能只有垂向应力z的1/3， — 逆断层或褶皱带的水平应力可大到 z的3倍。
➢ 水力压裂力学 ➢ 水力压裂材料性能与评价 ➢ 水力压裂裂缝延伸模拟 ➢ 支撑剂在裂缝中运移分布 ➢ 水力压裂效果分析 ➢ 水力压裂工艺技术 ➢ 水力压裂诊断评估技术
水力压裂概念
水力压裂作用
(1) 勘探阶段 增加工业可采储量
(2) 开发阶段 油气井增产 水井增注 调整层间矛盾改善吸水剖面 提高采收率
• 随r增加， 迅速降低(平方次) • 应力集中
• PF > PE
（2）向井筒注液产生的应力分布
弹性力学拉梅公式(拉应力为负)
r re e2 2//r rw 2 2 1 1pi1 1 r rw w 2 2//r re2 2pe
当 re， Pe =0 于是 r= rw时，＝ - Pi
(3) 压裂液渗入地层引起的井壁应力
PE —延伸压力 P井底>= PF时
一、地应力分析
1 地应力场
应力状态： 主应力: x ， y， z ; 应变: x， y， z
(1) 重力应力
z 1 06 0Hr(h)g d h
z zPs —孔隙弹性常数
注意： 的物理意义
由广义虎克定律计算总应变
x x1x2x3 E 1[x(y z)]
x
（1）井筒处应力分布
x 2y( 1 r r w 2 2 )x 2y( 1 3 r r 4 w 4 )c2 os

据处理
当P试验P真实时
2 压裂液粘度影响的滤失系数Cv
假设 压裂液为牛顿型液体且作线性层流流动； 压裂液呈活塞式侵入，即侵入段地层流体被顶替； 压裂液和地层岩石均不可压缩； 压差ΔＰv为常数。
理论基础：达西定律计算实际滤失速度
最终得到:
m2
MPa
mPa.S
3 地层流体压缩性影响的滤失系数Cc
本构方程
宾汉型液体
在一定的剪切应力作用下才能流动，最后接近牛顿液体，剪切应力与剪切速率成线性关系。
本构方程
典型压裂液:泡沫压裂液
粘弹性液体
流体特征： 当除掉剪切力时，这种流体会恢复或部分恢复原来受到剪切作用期间所具有的形变。这种具有部分弹性恢复效应，也具有非牛顿性和与时间有关的全部粘性性质的流体称为粘弹性流体。 目前使用的水基冻胶压裂液大部分都表现出具有部分或全部粘弹特征。
类型：水外相型 油外相型
特点:破乳快、污染小； 热稳定性差、成本高
4 泡沫压裂液
组成：液相 + 气相 + 添加剂泡沫液 液相: 稠化水、盐水、水冻胶、原油 或成品油、酸液 气相： 氮气、二氧化碳、空气、天然气等
适用范围 K<1mD， 粘土含量高的砂岩气藏 低压、低渗浅油气层压裂
三、 地应力的测量及计算
（1） 矿场测量 — 水力压裂法 — 井眼椭圆法
（2）实验室分析 —滞弹性应变恢复 （ASR） —微差应变分析 （DSCA）
（3） 有限元计算
第二节 压裂液
压裂液及其性能要求 压裂液添加剂 压裂液的流动性 压裂液的滤失性 压裂液对储层的伤害 压裂液选择
2 油基压裂液
适应性: 水敏性地层、有些气层 发展: 矿场原油 稠化油 冻胶油 基液: 原油、汽油、柴油、煤油、凝析油 稠化剂: 脂肪酸皂(脂肪酸铝皂、磷酸脂铝盐等) 特点: 污染小、遇地层水自动破乳； 易燃、成本高、热稳定性较差。

5 – 支撑剂在缝中向更远处前进， 随着压裂液继续向渗透性地层的 滤失 ，可到达水力裂缝的端部。
6 –停止泵注压裂液/携砂液，缝 内压裂液继续向渗透性地层滤失 。
7 – 裂缝闭合在支撑剂上，在地层 留下一条导流通道。
1 2
3
地面泵压 5
4
6
排量 砂比
理想的地面施工压力变化示意图
1 –开始泵注压裂液，地层破裂 2 – 裂缝随压裂液的泵注而延伸
18
Mfrac可实现多层压裂裂缝三维几何尺寸、并实现多裂缝的可视
化的显示和复杂裂缝的模拟。
19
Gohfer基于离散方法论、采用全三维模型、考虑各种复杂的地层因素，能
模拟非对称裂缝、复杂裂缝形状。
20
5、实施水力压裂基本条件
施工设备与管柱
基
施工工艺
本
施工参数
条
件
施工材料
配套措施
满足特定施工工艺条件下的地 层改造需要。
胜利油田压裂技术应用现 状
2013.11
1
提纲
一、压裂技术发展概况 二、大型压裂技术 三、机械分层压裂技术 四、非常规储层压裂技术
一、压裂技术发展概况
1、水力压裂的定义 2、水力裂缝延伸过程及关联的物理机理 3、水力压裂工艺技术分类 4、水力压裂设计方法 5、实施水力压裂的基本条件 6、水力压裂技术系列
3 – 支撑剂以悬浮状态进入水力裂缝
4 – 支撑剂随着泵注的继续向更远处
运移
5 –支撑剂在缝中向更远处前进，
7
随着压裂液继续向渗透性地层的滤
失 ，可到达水力裂缝的端部。
6 –停止泵注压裂液/携砂液，缝 内压裂液继续向渗透性地层滤失 。
7 –裂缝闭合在支撑剂上，在地层 留下一条导流通道。

效果分析
对选择的压裂液进行效果分析，包括性能评估、增产效果等 方面的评估。
油田开发方案中压裂液的配制及应用效果
配制方法
详细介绍所选择的压裂液的配制方法，包括配方、配比等方面的信息。
应用效果
介绍该压裂液在油田现场应用的效果，包括提高产量、降低伤害等方面的效 果。
05
压裂工艺的优势与不足
压裂工艺的优势
2
压裂工艺也可用于改造老油田或气田，提高采 收率。
3
压裂工艺还可应用于开发非常规能源，如煤层 气、天然气水合物等。
02
压裂工艺基本原理
压裂液的组成及作用
总结词
由多种化学剂复配而成，主要 作用为支撑裂缝、清洁裂缝以
及传递压力。
组成
由稠用
压裂液在地层中产生支撑裂缝 ，增大储层渗透率；同时清洁 裂缝，使地层中的流体流动更 加顺畅；并通过传递压力，形
压裂工艺发展历程
压裂工艺起源于20世纪40年代，经历了传统压裂、水力喷 射压裂、多段压裂、水平井压裂等多个阶段，目前正在向 无砂支撑剂和重复压裂方向发展。
中国自20世纪50年代开始应用压裂工艺，目前在该领域的 技术水平已经达到国际先进水平。
压裂工艺应用场景
1
压裂工艺广泛应用于低渗透油田或气田开发中 ，如页岩气、致密气等。
压裂液的配制及使用
总结词
根据实际需求进行配制，使用过程中需严格控制质量。
配制
根据不同的配方和比例，将化学剂和水混合搅拌均匀，制成压裂液。
使用
将配制好的压裂液通过泵送系统注入地层，在高压作用下压开地层并形成裂缝，同时通过清洁和支撑作用提高地层渗透率 。使用过程中需严格控制压裂液的质量和注入速度，以保证压裂效果和安全性。

log data directly into FRACPRO or M-FRAC models Barbo和 Batcheller提供了使用FracPro 或者M-FRAC数字化分析测井 数据的软件
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9
Information collection 信息收集
• Proper simulator-based design takes time……. allow for it 适当的软件模 拟设计需要时间……可以考虑 • Data collection 数据收集 • Lab work 实验室分析 • Simulation 模拟 • Parametric sensitivity checks 参数敏 感性检查
策– 第六节
On site use of 3-D simulators – Section 7 3D模拟软
件的现场使用 – 第七节
Fracture diagnostics – Section 8 压裂诊断 – 第八
节
Quality assurance procedures – Section 9 质量控
Relying too much on default values can lead to seriously deficient outcomes 模型中默认值越多，可能导出非常错误 的结果
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Information collection 信息收集
There is a hierarchy of information importance In-situ stress and permeability profiles are the most significant 所需资料的重要性是分等级的。 原地应力和渗透率剖面是最重要的。

z 10
6

H
0
r ( h ) gdh
—孔隙弹性常数
z z Ps
注意： 的物理意义
由广义虎克定律计算总应变
x x1 x 2 x 3
1 [ x ( y z )] E
由于泊松效应，垂向负荷产生的侧向压力

x y 0 x y
水力压裂造缝机理
第一节 水力压裂造缝机理
水力压裂造缝机理
第 1节 注入前置液
扩展起裂
前置液 注入携砂液 （石英、陶粒）
携砂液
裂缝闭合 压裂液返排
支撑裂缝 高导流的人 工裂缝
动态裂缝
水力压裂造缝机理
第 1节
水力压裂造缝机理
压 力
第 1节Βιβλιοθήκη 停泵破裂F 前置液
加砂 携砂液
裂缝闭合 H
1
z
(2) 构造应力
(3) 热应力
产生原因
构造对应力的影响 a—逆断层区域σH=3σz b—正断层区域σz=3σH
特点 计算方法
在逆断层或褶皱地带水 平应力要比垂向应力大 得多，甚至可大到3倍 ，在正断层地带，水平 应力可能只有垂向应力 的三分之一。

x

y

T TET 1
a b
排量不变，提高砂比，压力 升高反映了正常的裂缝延伸
E
管内摩阻 裂缝延伸压力（静) 净裂缝延伸压力 C 裂缝闭合压力（静） S 地层压力（静）
a—致密岩石 b—微缝高渗岩石
6-1 压裂施工曲线
时间
PF—破裂压力 PS —地层压力
PE —延伸压力 P井底>= PF时
一、地应力分析